[发明专利]一种幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元

说明书

本发明公开了一种应用于微波段的幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元；该单元主要包括接收天线，信息处理层以及发射天线三个部分。信息处理层利用电磁波的分解与叠加原理，将分解后的电磁波进行相位变换之后叠加，即可实现任意幅度和相位的透射系数，从而不需要大量的参数扫描和优化，简化设计过程。本发明具有低剖面、低反射和易于设计、易于加工等优点，可用于实现低剖面的二维波束偏折，多波束出射天线等。将来可以将FPGA等硬件相结合，实现低剖面的波束扫描，新型毫米波无线通信系统等应用。

技术领域

本发明属于天线与新型人工电磁材料领域，涉及一种新型的幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元设计。

背景技术

电磁超材料是亚波长微结构的一些特殊排列，通过人为的设计这些微结构可以在特定的频率范围内表现出奇异特性。通过周期或者非周期的排列构造出的超材料可以表现出自然界中常规材料不具备的特性，例如产生负折射现象、逆多普勒平移等等。超表面的概念由超材料衍生而来。它是一个周期性的阵列结构，最终形成的超表面一般表现出各向异性。利用超表面可以对反射或透射的电磁波的特性如相位、幅值、极化、波束形状等进行调节。

透射型电磁超表面是一种典型的聚焦设备，具有高增益、高方向性、损耗小、成本低等特点。透射型电磁超表面由馈源和一定数量的具有特定传输幅度和相位的单元组成，一种常用形式就是接收-处理-发射型单元。这种单元一般在介质基板两侧印刷有两个方向相反的微带贴片，中间是两者共用的金属地板。地板可以保证两者之间的隔离以及微带贴片的定向辐射。其中，接收贴片用来接收来自馈源的能量，发射贴片将接收贴片接收到的能量辐射到自由空间中。在发射和接收部分都加载有传输线，通过调节传输线的结构可以控制透射幅度和相位的变化。和其他结构单元相比，接收-发射型单元的优点是可以在传输线上或者接收以及发射微带贴片上加载可调电子器件，实现可重构特性，但是这种单元也存在带宽较窄、辐射效率较低的缺点。

接收-处理-发射型幅度相位可调透射单元为是实现复杂功能的低剖面天线阵列提供了解决办法，通过对超表面的幅度、相位进行排布，可以对近场任何一个表面的电场的能量进行设计与构建，也可以对远场的波束指向进行设计，因此在近场多通道通信，无线能量传输以及远场波束扫描、自适应波束设计等领域具有无限大的潜力。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种可以实现幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元，利用电磁波的分解与叠加，给出一种简单的设计的思路与方法，在接收-处理-发射结构的基础上，只需要通过设计两个移相器的尺寸，就可以实现任意的传输幅度和相位。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元，包含接收天线、信息处理层、发射天线；所述信息处理层包括功率分配器和两个移相器以及功率合成器，功率分配器与两路移相器相接，再通过功率合成器合并电磁波；所述信息处理层将接收天线接收的电磁波进行分解并合成，实现幅度相位独立可调，并将调制后的电磁波通过金属通孔传输至发射天线部分。通过对信息处理层的两个微带移相器进行尺寸变化，获得不同的相位补偿，进而实现不同幅度和相位的传输系数。

进一步的，包含上下两个单层电路印刷板和中间的一个多层印刷电路板；所述多层印刷电路板包括两层介质基板与三层金属；所述接收天线一部分设置于上单层电路印刷板，另一部分设置于多层印刷电路板的上层金属；所述信息处理层设置于所述上层金属；所述发射天线一部分设置于下单层电路印刷板，另一部分设置于多层印刷电路板的下层金属；所述多层印刷电路板的中层金属为金属地层。

进一步的，上下两个单层电路印刷板电路板与之间多层印刷电路板分别有1.2mm和2mm的空气间隔。

进一步的，所述单层电路印刷板由厚度0.5mm、介电常数2.65、损耗角正切为0.003的F4B介质板和厚度0.018mm的印刷金属铜构成。